- 1 -有源频率选择表面反射特性的分析寇松江东南大学毫米波国家重点实验室，南京 (210096)E-mail ：kousongjiang@摘 要：本文使用CST 仿真分析软件，采用电抗加载的方法研究了有源频率选择表面的反射特性，分析了工作于X 频段的方环缝隙型、四腿环缝型、Y 形环缝型三种透波型FSS 结构，给出了其谐振特性与所加载电抗的变化关系。
有源FSS 中的有源器件可等效为某种形式的电抗，通过电抗加载的分析，可为有源FSS 的分析与设计提供理论依据。
关键词：有源频率选择表面，电抗加载，反射系数中图分类号：TN0111．引言频率选择表面（FSS ）是军事隐身技术的重要组成部分，在军事领域有着非常重要的作用。
使用无源FSS 构成的装备,一旦成型，其谐振频率、工作带宽等电磁特性均无法改变，不能灵活地适应外部电磁环境的变化。
使用有源FSS ，就可以克服这些缺陷。
有源FSS 是指在FSS 中加入PIN 管或变容二极管等有源器件构成的FSS 结构，通过调节有源器件偏置电压或偏置电流，可改变FSS 的谐振特性[1]。
从等效电路角度看，有源器件可等效为电抗，而电抗加载可以改变FSS 的谐振特性[2] [3]，因此,通过对FSS 进行电抗加载的分析,可以为有源FSS 的分析提供依据 [4]。
本文使用CST 仿真分析软件，利用电抗加载的方法研究有源FSS 。
首先对文献中记载的算例进行了仿真分析，并与文献结果进行比对，证明了此种分析方法的可行性；然后分析了工作于X 频段的方环缝隙型、四腿环缝型、Y 形环缝型三种有源FSS 的谐振特性，给出了反射系数与所加载电抗的变化关系,为有源FSS 的分析提供依据。
2．仿真结果与文献的对比（圆环缝隙型有源FSS 的分析）图1 圆环缝隙型FSS 单元结构 图2 仿真结果与文献的对比 A.E.Martynyuk 等学者对圆环缝隙单元组成的FSS 进行了电抗加载的分析[5]，圆环缝隙型FSS 单元结构如图1,该单元被印刷在厚0.102mm 的介质板上，介质板的介电常数为r ε=2.4,圆环外径r 1=4.03mm,内径r 2=3.5mm,阵列周期D x =11.43mm,D y =10.13mm, 电抗加载- 2 -位置如图1中所示，使用平面波激励，输入电场为Y 方向。
文献[5]指出了谐振特性随所加载电抗的变化规律：当使用电容加载时，谐振频率减小，当使用电感加载时，谐振频率增加，而使用小电阻加载时表现出全反射的特性，并且所加电容值越大，谐振频率越低，所加电感值越小，谐振频率越高。
本文使用CST 仿真软件对这款FSS 进行了仿真分析，仿真结果与文献记载吻合，反射系数曲线如图2所示。
3．方环缝隙型有源FSS 的分析图3 方形缝隙型FSS 单元结构 图4 方形缝隙型FSS 的反射系数 方环缝隙型FSS 单元结构如图3,该单元被周期性印刷在厚0.1mm 的介质板上，介质板介电常数r ε=2.4, D x =D y =10mm ，l 1=7.28mm ，l 2=6.28mm, 电抗加载位置如图3中所示，使用平面波激励，入射电场为Y 方向。
无加载时，FSS 谐振于12GHz ，谐振波长约为缝隙的周长。
使用电容C=0.05、0.10、0.15pF 加载时谐振频率降低，电容值越大，谐振频率越低；使用电感L ＝5nH 、3nH 加载时，谐振频率增大，电感值越小，谐振频率越高；使用电阻R=2Ω加载时，FSS 呈现出全反射的特性。
反射系数曲线如图4所示。
4．四腿环缝型有源FSS 的分析图5 四腿环缝型FSS 单元结构 图6 四腿环缝型FSS 的反射系数 四腿环缝型FSS 单元结构如图5所示,该单元被周期性印刷在厚0.1mm 的介质板上，介质板r ε=2.4, D x =D y =10mm ，l 1=7.94mm ，l 2=6.94mm, l 3=2mm, l 4=1mm, 电抗加载位置如图5中所示，使用平面波激励，入射电场为Y 方向。
分别使用电容C=0.05、0.10、0.15pF,电阻R=2Ω，电感L ＝3nH 、5nH 加载，反射系数曲线如图6所示。
从图中可看出，无加载时，FSS谐振于11.56GHz 。
当使用电容加载时，谐振频率减小，当使用电感加载时，谐振频率增加，而使用小电阻加载时，FSS表现出全反射的特性，并且所加电容值越大，谐振频率越低，所加电感值越小，谐振频率越高,谐振频率与所加电抗的变化关系与方形缝隙型FSS相似。
5．Y形环缝型有源FSS的分析图7 Y形环缝型FSS单元结构图8 Y形环缝型FSS的反射系数Y形环缝型FSS单元结构如图7所示,该单元被印刷在厚0.1 mm的介质板上，介质板rε=2.4, D x=D y=10mm, l1=3.97mm，l2=3.47mm, l3=2mm, l4=1mm, 电抗加载位置如图1中所示，使用平面波激励，入射电场沿Y方向。
反射系数曲线如图8所示。
无加载时，FSS 谐振于12.072GHz ，谐振波长约为缝隙的周长。
分别使用电容C=0.05、0.10、0.15pF,电阻R=2Ω，电感L＝3nH、5nH加载，从图8中可看出电抗的加载改变了FSS的谐振特性，谐振特性的变化与方形缝隙型FSS相似，但在相同电抗加载时，谐振频率的变化幅度稍小。
由以上分析结果可以看到，使用电抗加载时，方环缝隙型、四腿环缝型、Y形环缝型FSS的谐振特性具有相同的变化趋势，这种谐振频率与所加载电抗的变化关系也适用于其它缝隙型FSS。
我们可以从等效电路的观点来解释这种变化,缝隙型FSS可等效为并联电路, 当使用电容加载时，相当于增加了电路的总电容,因而谐振频率减小;当使用电感加载时, 相当于减小了电路的总电感,因而谐振频率增加；当使用小电阻加载时，入射端口被短路，呈现出全反射的特性。
6．结论本文使用电磁仿真软件，分析了电抗加载的方环缝隙型、四腿环形缝隙型、Y形环缝型三种透波型FSS结构，分析结果表明：使用电抗加载可以有效地改变FSS的谐振特性。
本文研究结果可为设计相关结构的电可调的有源FSS提供理论依据。
参考文献[1] M Philippakis, C Martel, D Kemp, et al. Application of FSS structures to selectively control the propagationof signals into and out of buildings. Technical report, ERA Technology, Cleeve road, Leatherhead, Surrey, KT22 7SA, U.K., 2004.[2] C Mias. Frequency selective surfaces loaded with surface-mount reactive opponents. IEE Electron. Lett., vol.39, no. 9, May 2003,pp.724-726[3] L EPP, C CHAN and R MITTRA. The study of FSS surfaces with varying surface impedance and lumpedelements. IEEE Int. Antennas Propagation Symp. Dig., Vol. 27, 26-30 Jun. 1989 , pp. 1056-1059[4] TK Chang, RJ Langley and EA Parker. Active frequency-selective surfaces. IEE Proc., Microw., AntennasPropag., Vol.143, no.1, Feb. 1996, pp.62-66[5] AE Martynyuk, JI Martinez Lopez and NA Martynyuk. IEE Electron. Lett ., vol. 41, no. 1, Jan. 2003,pp.2-4- 3 -Analysis of Reflection Characteristics ofActive Frequency Selective SurfacesKou SongjiangState Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing, PRC, 210096AbstractThe reflection characteristics of several active frequency selective surfaces (FSS) are analyzed using CST simulators. The FSS structures, which are based on square loaded slot, four-legged loaded slot, three-legged loaded slot resonators, are loaded by active components which are represented by lumped reactive elements. Their relevant resonant performances with various loading are simulated in X band, and the corresponding results can act as theoretical references in analysis and design of FSS.Keywords:Active frequency selective surface, reactive loading, reflection coefficient- 4 -。